Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором

Проведен анализ частотных характеристик базового элемента СВЧ устройств - запредельного прямоугольного волновода с феррито-диэлектрическим резонатором. Разработан алгоритм численного решения исходной задачи при произвольных параметрах структуры....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2004
Автори:	Мизерник, В.Н., Пятак, Н.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2004
Назва видання:	Физическая инженерия поверхности
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98637
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором / В.Н. Мизерник, Н.И. Пятак // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 96–101. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98637
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-986372016-04-17T03:03:24Z Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором Мизерник, В.Н. Пятак, Н.И. Проведен анализ частотных характеристик базового элемента СВЧ устройств - запредельного прямоугольного волновода с феррито-диэлектрическим резонатором. Разработан алгоритм численного решения исходной задачи при произвольных параметрах структуры. Проведено аналіз частотних характеристик базового елементу НВЧ пристроїв - позамежного прямокутного хвилеводу з ферито-діелектричним резонатором. Розроблено алгоритм чисельного рішення вихідної завдання при довільних параметрах структури. The analysis of the frequency characteristics of the base element of the microwave devices - the beyond of a rectangular waveguide with a ferrite-dielectric resonator. An algorithm for the numerical solution of the initial problem for arbitrary parameters of the structure. 2004 Article Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором / В.Н. Мизерник, Н.И. Пятак // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 96–101. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98637 621.372.8 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Проведен анализ частотных характеристик базового элемента СВЧ устройств - запредельного прямоугольного волновода с феррито-диэлектрическим резонатором. Разработан алгоритм численного решения исходной задачи при произвольных параметрах структуры.
format	Article
author	Мизерник, В.Н. Пятак, Н.И.
spellingShingle	Мизерник, В.Н. Пятак, Н.И. Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором Физическая инженерия поверхности
author_facet	Мизерник, В.Н. Пятак, Н.И.
author_sort	Мизерник, В.Н.
title	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором
title_short	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором
title_full	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором
title_fullStr	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором
title_full_unstemmed	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором
title_sort	рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2004
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98637
citation_txt	Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором / В.Н. Мизерник, Н.И. Пятак // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 96–101. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT mizernikvn rasseânievolnovodnojvolnynazapredelʹnomučastkesferritodiélektričeskimrezonatorom AT pâtakni rasseânievolnovodnojvolnynazapredelʹnomučastkesferritodiélektričeskimrezonatorom
first_indexed	2025-07-07T06:49:41Z
last_indexed	2025-07-07T06:49:41Z
_version_	1836969866467213312
fulltext	ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 298 РАССЕЯНИЕ ВОЛНОВОДНОЙ ВОЛНЫ НА ЗАПРЕДЕЛЬНОМ УЧАСТКЕ С ФЕРРИТО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ... нечного набора волноводных волн, которые распространяются или затухают в соответству- ющих направлениях: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )212 1 I flxnbi n na j np flxpai pa j z eySeyE +γ−−+γ ∑ ψ+ψδ= ; ( ) ( ) ( )dlflxnai n na j npz eySE −−γ+ ∑ ψ= 22II ; ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ∑ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ +ψ= −ξ−−−ξ+ n flxnaij np flxnaij npnbz eySeySE 2323III ; ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ∑ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ +ψ= −ξ−−−ξ+ n flxnaij np flxnaij npnbz eySeySE 2424IV , ( )ij npS – неизвестные амплитуды Hn0 волн в i-м пле- че тройника, возбуждаемые Hp0-волнами еди- ничной амплитуды из j-го плеча; ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +π=ψ 2 sin ay a nyna – собственные функции электрического поля; ( )22 ankna π−=γ – пос- тоянные распространения вынужденных колебаний в незаполненных I , II; ( )22 ank fna π−µε=Γ ⊥ – постоянные распрос- транения вынужденных колебаний в феррито- вой области III; ( )22 ank dna π−ε=γ – пос- тоянные распространения вынужденных коле- баний в диэлектрической области IV; µ⊥– эф- фективная магнитная проницаемость феррито- вого слоя; µa, µ – диагональная и недиагональ- ная компоненты тензора магнитной проницае- мости; k – волновое число; l – длина волны в свободном пространстве. С учетом формул связи продольных состав- ляющих электрического поля и поперечных составляющих магнитного поля (5), (6) танген- циальная составляющая магнитного поля в ферритовой области III имеет вид: ( ) ( ) ( ) ( )∑ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + µ = −−++ ⊥ n na j npna j npy yFSyFSH 33III 1 , где ( ) ( ) ( ) y yyyF naa nanana ∂ ψ∂ µ µ=Γψ±=+ – собствен- ные функции магнитного поля для прямых и обратных волн. Использование условий непрерывности электрического поля в сечениях x = ±lf/2, x = lf/2 + ld позволяет получить систему функци- ональных уравнений относительно неизвест- ных коэффициентов Фурье полей. Известно [4], что в области волновода, которая заполнена ферритом, собственные функции электричес- кого и магнитного полей не образуют ортого- нальной последовательности и обычные усло- вия ортогональности для линий передачи с изо- тропным заполнением непригодны. Поэтому были использованы условия биортогональ- ности собственных волн в волноводах с гиро- тропным заполнением [7]. В результате полу- чена неоднородная система линейных алгеб- раических уравнений (СЛАУ) II-го рода отно- сительно неизвестных коэффициентов отра- жения ( )−j tpS 1 и вспомогательного коэффициен- та ( )+j tpS 2ˆ , который определяет коэффициент прохождения ( )+j tpS 2ˆ ( ) ( ) ( )⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛ ξ= ++ dta j tp j tp lSS cosˆ 22 : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ =α µ µ +−α µ µ + =α µ µ −+α µ µ + ∑ ∑ ∑ ∑ ++++−−− ++−+−−− n n j t j nptntn a ta j tp j nptn a ta j tp n n j t j tptntn a ta j tp j nptn a ta j tp USQZSSWS DSQZSSVS 2211 2211 ˆ2ˆ2 ˆ2ˆ2 (7) где введены следующие обозначения: ± tаV = a[µ⊥γta ± iΓtatg(Γtalf/2)]; ± tаW = a[µ⊥γta ± iΓtactg(Γtalf/2)]; − tаZ = a[µ⊥ξta − tаQ – iΓta + tаQ tg(Γtalf/2)]; + tаZ = a[µ⊥ξta − tаQ + iΓta + tаQ ctg(Γtalf/2)]; − tаQ =(1/ξna)[γna – iξnatg(ξnald)]; + tаQ = (1/ξna)[ξna – iγnatg(ξnald)]; ( )1 tD = +δ pа t pV – 2(µa/µ)αtp; ( )1 tU = −δ pа t pW – 2(µa/µ)αtp; ( )2 tD = – −δ pа p t G + 2(µa/µ)αtp + tаP ; ( )2 tU = +δ pа p t G – 2(µa/µ)αtp + tаP ; − pаG = a[µ⊥ξta – iΓpatg(Γpalf/2)] + tаP ; + pаG = a[µ⊥ξta − tаP + iΓpactg(Γpalf/2) + tаP ]; + tаP = (1/ξtb)[ξtacos(ξtald) ± iγtbsin(ξtald)]; ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 2 99 ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ =+ =+ −=α � � ,5,3,1где,0 ,6,4,2где,2 22 nt nt tn tn tn . Из анализа матричных элементов получен- ной СЛАУ (7) следует, что тензорный характер магнитной проницаемости приводит к связи четных и нечетных по поперечному индексу собственных функций, что соответствует пре- образованию падающей волны основного типа в высшие волны. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА Расчет элементов матрицы рассеяния рассмат- риваемой волноводной структуры проводились при следующих предположениях: сечения регу- лярных волноводов на входе и выходе резонатора одинаковы; относительные диэлектрические проницаемости областей задавались такими: ε1 = ε2 = 1, εf, εd – набор дискретных значений; размер А выбирался так, чтобы в подводящих волноводах распространялась только волна ос- новная волна H10. Это же требование соблю- далось при выборе значений диэлектрической проницаемости ФДР и компонент тензора маг- нитной проницаемости ферритового области. Размер а меньшего сечения волновода выбирался таким, чтобы участки волноводов, связывающих ФДР с подводящими волноводами, были запреде- льными для основной волны. Электродинами- ческие свойства данной структуры изучались на основе зависимостей элементов матрицы рассея- ния от материальных параметров ФДР и геомет- рических размеров структуры. Элементы матри- цы рассеяния – неизвестные амплитуды рассеян- ных Hq0-волн в i-м плече при падении Hp0-волны единичной амплитуды из j-го плеча. При описании свойств рассматриваемой структуры используем обозначения для частот- ного параметра: ж = A/λ и геометрических пара- метров: θ1 = l1/a; θ2 = l2/a; θd = ld/a; θf = lf/a; θst = A/a; L′ = L/a, где L – полная длина резонатора. Сравнение одноволнового приближения и уточ- ненного приближения, учитывающего ближай- шую волну высшего типа, показало, что расхож- дение значений модуля коэффициентов матрицы рассеяния составляет 1 – 3 %. Таким образом, одноволновое приближение является вполне оправданным при анализе электродинамических характеристик и позволяет резко сократить затра- ты машинного времени. Результаты, полученные в данной работе относятся к дифракции волны основного типа. На рис. 2 построены типичные зависимости модуля коэффициента прохождения от нормиро- ванного частотного параметра регулярного вол- новода при различных значениях ширины ФДР. Материальные параметры диэлектрика и фер- рита, геометрические размеры структуры имели следующие значения: εd = 3; εf = 8; µa = 0,2; µa = 0,7; L′ = 1,0; θ1= θ2 = θ = (L′– θf – θd)/2; θf = 2,0. При определенных сочетаниях парамет- ров появляются четко выраженные резонансы. Сравнение данных рис. 2а и рис. 2б показывает, что увеличение ширины ферритового резонатора θf при фиксированной ширине диэлектрического θd аналогично увеличению θd при фиксирован- ном θf – резонансы смещаются в область мень- ших значений ж. При этом с увеличением длины резонатора L за счет расширения запредельных областей резонансы становятся более узкими. С ростом длины L при фиксированной вели- чине θf (рис. 3) наблюдается смещение максиму- ма в сторону больших значений ж. Однако, су- ществует предельно достижимое резонансное значение жрез. Расчеты показывают, что при l > 2a дальнейшее увеличение длины запредель- ных областей практически не влияет на жрез. θd = 0,3 θd = 0,6 ж ж а) б) 21 11S 21 11S Рис. 2. АЧХ модуля коэффициента прохождения 21 11S для различных значений нормированных ширин ФДР при L = a. Рис. 3. АЧХ модуля коэффициента прохождения для различ- ных значений нормированных ширин ФДР при L = 2a. В.Н. МИЗЕРНИК, Н.И. ПЯТАК 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 ж θf = 0,075 0,5 0,6 0,3 0,4 θd = 0,2 0,6 0,4 0,2 0,0 21 11S 1,0 0,8 ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 2100 РАССЕЯНИЕ ВОЛНОВОДНОЙ ВОЛНЫ НА ЗАПРЕДЕЛЬНОМ УЧАСТКЕ С ФЕРРИТО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ... В случае несимметричных звеньев (l1 ≠ l2), коэффициент передачи зависит от положения фер- ритового слоя относительно входа-выхода. На рис. 4 приведены частотные зависимости вели- чины ослабления (в децибелах) за счет отраже- ний Р = 20lγ(1/ 21 11S ) для различных положений фер- ритового слоя l1. Расчеты проводились при сле- дующих геометрических раз-мерах: A = 23 мм; а = 10 мм; lf = 0,1 мм; l1 + l2 = 10 мм. Материа- льные параметры ФДР имеют такие же значения, как и на рис. 2. Из графиков следует, что откло- нение от симметричного расположения слоя при- водит к смещению резонансной частоты в об- ласть низких частот и уве-личению значения Р в минимуме. Влияние диэлектрической проницаемости вы- ражается в том, что с ростом εf резонансные значения жрез сдвигаются в сторону укорочения длин волн (рис. 5). Это характерно для всех вол- новодно-диэлектрических структур. Увеличение величины поля намагничивания µа при фиксиро- ванных µ, ε аналогично уменьшению диэлектри- ческой проницаемости при фиксированных µа, µ приводит к уменьшению эффективного объема области ФДР, а следовательно, к уменьшению частоты возбуждения соответствующего колеба- ния (рис. 5). Следует обратить внимание, что при значениях эффективной магнитной проницаемо- сти µа < (µа)lim, где (µа)lim = (µ[µ + 1/(4εf ж 2)])1/2 наблюдается резкая зависимость значений жрез в малом интервале изменения величины µа (рис.6). Эти резонансы классифицированы в [8] как вол- новодно-ферритовые и связаны с возбуждением в структуре поверхностной ферритовой волны. Следовательно при выделенных (µа)lim существо- вание волноводно-ферритовых резонансов и свя- занный с ними характер поведения АЧХ дает возможность плавной подстройки полос прозрач- ности или режекции реальных частотно-селек- тивных устройств без изменения их геометрии. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, получено строгое решение задачи рассеяния волноводных волн в отрезке запредельного прямоугольного волновода с фер- рито-диэлектрическим резонатором. Наличие ферритовой области с одной стороны усложняет процедуру решения краевой задачи, а с другой – дает возможность относительно просто электри- ческим способом управлять выходными характе- ристиками сигнала. Конструкция структуры мак- симально приближена к практике, что позволяет использовать полученные результаты для про- ектирования реальных функциональных СВЧ устройств. Рис. 4. Зависимость затухния Р, вносимого несимметрич- ным звеном, от частоты при различных положениях ФДР. Рис. 5. АХЧ модуля коэффициента прохождения для раз- личных значений εf . Рис. 6. АХЧ модуля коэффициента прохождения для раз- личных значений µa . 0,6 0,4 0,2 0,0 21 11S 1,0 0,8 0,60 0,65 0,70 ж0,75 µa = 0,05 0,35 0,50 0,65 θd = 0,3 θf = 0,075 εf = 8 0,80 0,85 0,90 ж 20 15 Р, дБ 10 5 0 0 мм 1 мм 2 мм 3 мм 4 мм l1 = 5 мм lf = 0,01 мм ld = 0,01 мм 10 12 14 8 εf = 6 θd = 0,3 θf = 0,075 0,6 0,4 0,2 0,0 21 11S 1,0 0,8 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 ж ФІП ФИП PSE т. 2, № 1 – 2, vol. 2, No. 1 – 2 101 ЛИТЕРАТУРА 1. Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозици- онный подход к задачам электродинамики. – М.: Наука, 1983. – 304 с. 2. Кириленко А.А., Яшина Н.П. К строгому расчету матриц рассеяния на ступеньке в волноводе// Весник Харьк. ун-та. Радиотехника. – 1975. – Вып. 34 – С. 166 - 170. 3. Левин Л. Теория волноводов. – М.: Радио и связь, 1981. – 312 с. 4. Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на СВЧ. – М.: Госэнергоиздат, 1963. – 664 с. 5. Гуревич А. Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. – М.: Изд-во физ.-мат. лит-ры, 1960. – 407 с. 6. Шестопалов В.П. , Кириленко А.А., Рудь Л.А. Ре- зонансное рассеяние волн. Т. 2 Волноводные не- однородности. – К.: Наукова думка, 1986. – 215 с. 7. Миттра Р., Ли С. Аналитические методы теории волноводов. – М.: Мир, 1977. – 327 c. 8. Mizernik V. N., Pyatak N. I. Waveguides dielectrics resonances in the rectangular waveguide with a trans- versely magnetized ferrite layer // Telecommuni- cations and Radio Engineering. – 2000. – № 9 -10. – Р. 31 - 40. DISSIPATION WAVEGUIDE WAVE ON OVER-RANGE SEGMENT WITH A FERRITE-DIELECTRIC RESONATOR V.N. Mizernik, N.I. Pyatak The analysis of frequency characteristics of a base unit a very high frequency of devices – over-range rectangular waveguide with a ferrite-dielectric resonator has been performed. The algorithm of a numerical solution of the initial problem at random parameters of the structure has been developed. РОЗСІЮВАННЯ ХВИЛЕВИДНОЇ ХВИЛІ НА ПОЗАМЕЖНІЙ ДІЛЯНЦІ З ФЕРИТО-ДІЛЕКТРИЧНИМ РЕЗОНАТОРОМ В.М. Мизерник, Н.І. П’ятак Проведено аналіз частотних характеристик базового елемента СВЧ пристроїв – позамежного прямокут- ного хвилеводу з ферито-діелектричним резонато- ром. Розроблено алгоритм числового розв’язку по- чаткової задачі за будь-яких параметрів структури. В.Н. МИЗЕРНИК, Н.И. ПЯТАК

Рассеяние волноводной волны на запредельном участке с феррито-диэлектрическим резонатором

Репозитарії

Схожі ресурси